Коэффициент теплопроводности металлов (Таблица)

Теплопроводность многих металлов следует соотношению k = 2,5·10^-8σT, где Т обозначает температуру в °К, а σ — электропроводность в единицах (ом·см)^-1. Это соотно­шение, которое лучше всего оправдывается для хороших проводников электричества и при высоких температурах, можно применять и для определения коэффициентов тепло­проводности.

Соотношение kpc_p=const, где р обозначает плотность, а с_р — удельную теплоем­кость при постоянном давлении, было предложено Стормом для того, чтобы объяснить температурные изменения этих величин для некоторых металлов и сплавов.

Таблица коэффициент теплопроводности металлов

Элементы с металлической электропроводностью (числа, набранные курсивом, относятся к жидкой фазе)

Таблица коэффициент теплопроводности полупроводники и изоляторы

Теплопроводность металлов и сплавов: таблица

Теплопроводность металлов и сплавов: таблица

• Металлы

• Обновлено 10 октября 2020 г.

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Таблица 1

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Таблица 2

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Оцените статью:

Рейтинг: 5/5 — 1
голосов

Ещё статьи по теме:

Теплопроводность металлов и сплавов

В этой статье приводятся данные по теплопроводности некоторых металлов и сплавов. Теплопроводность измеряет способность материалов пропускать через себя тепло посредством проводимости.

Теплопроводность измеряет способность материалов пропускать через себя тепло посредством проводимости. Теплопроводность материала сильно зависит от состава и структуры. Вообще говоря, плотные материалы, такие как металлы и камень, являются хорошими проводниками тепла, в то время как вещества с низкой плотностью, такие как газ и пористая изоляция, плохо проводят тепло.

Теплопроводность материалов требуется для анализа сетей термического сопротивления при изучении теплообмена в системе.

Дополнительную информацию см. в статье «Значения теплопроводности для других распространенных материалов».

В следующих таблицах показана теплопроводность для ряда металлов и сплавов при различных температурах.

.0031

.0032 70.6

Материал	Температура	Теплопроводность	Температура	Теплопроводность
Admiralty Brass	20	96. 1	68	55.5
	100	103.55	212	59.8
	238	116.44	460	67.3
Алюминий	20	225	68	130
	100	218	212	126
	371	192	700	111
Antimony	20	18.3	68	10.6
	100	16.8	212	9.69
Beryllium	20	139	68	80.1
	100	132	212	76.2
	371	109	700	63.0
Brass	-165	106	-265	61. 0
	20	144	68	83.0
	182	177	360	102
Bronze	20	189	68	109
Cadmiuim	20	92.8	68	53.6
	100	90.3	212	52.2
Copper	20	401	68	232
	100	377	212	218
	371	367	700	212
Gold	20	317	68	183
Germanium	20	58.8	68	34.0
Inconel X	-3	13.2	27	7.62
	20	13. 7	68	7.90
	577	25.5	1070	14.7
Iron	20	71.9	68	41.6
	100	65.7	212	38.0
	371	44.6	700	25.8
Iron (wrought)	20	60.4	68	34.9
	100	59.9	212	34.6
Iron (cast)	53	48.0	127	27.7
Lead	0	35.1	32	20.3
	20	34.8	68	20.1
	260	30.3	500	17.5
Magnesium	20	170	68	98. 5
	100	167	212	96,3
	188	163	370	93,9
				93,9		93,9				137	32	79.0
20	136	68	78.4
427	115	800	66.7
Monel	-250	20.73	-418	11.98
	20	27.5	68	15.86
	800	46.9	1472	27.1
Nickel	20	62.4	68	36.0
	100	58. 0	212	33.5
	293	47.5	560	27.4
Palladium	20	67,5	68	39,0
Платина	20	71,0		41.0		41.0	5 9131	41.0	5		41.0		212	40.8
	427	69.2	800	40.0
	Plutonium	20	8.65	68	5.00
Rhodium	20	152	68	88,0
Silver	.0031	234
	316	366	600	211
	Steel, 1% Carbon	20	45.3	68	26. 2
100		44.8	212	25.9
SS ANSI 301, 302, 303, 304	35	14.0	95	8.08
	100	15.0	212	8.69
	900	28.0	1652	16.2
SS ANSI 310	0	11.9	32	6.85
	20	12.3	68	7.11
	900	32.0	1652	18.5
SS ANSI 314	30	17.3	86	10.0
	100	17.6	212	10.2
	300	18.4	572	10.6
	900	22.6	1652	13.1
SS ANSI 316	-50	13. 0	-58	7.51
	20	13.9	68	8.04
	950	26.1	1742	15.1
SS ANSI 321, 347, 348	-70	14.3	-94	8.25
	20	15.7	68	9.06
	900	29.4	1652	17.0
SS ANSI 403, 410, 416, 420	-70	26.0	-94	15.0
	20	26.0	68	15.0
	1000	26.0	1832	15.0
SS ANSI 430	50	21.8	122	12.6
	900	25.0	1652	14.4
SS ANSI 440	100	22. 1	212	12.8
	500	27.5	932	15.9
SS ANSI 446	0	22.4	32	13.0
	20	22.7	68	13.1
	1000	38.0	1832	22.0
SS ANSI 501, 502	30	37.0	86	21.4
	100	36.2	212	20.9
	830	27.8	1526	16.0
Tantalum	20	55.0	68	31.8
Thallium	0	50.2	32	29.0
Thorium	20	29.4	68	17.0
	100	30. 5	212	17.6
	299	33.3	570	19.3
Tin	20	62.1	68	35.9
	100	58.8	212	33.9
Titanium	20	15.6	68	9.00
	100	15.3	212	8.86
	299	14.7	570	8.50
Tungsten	20	159	68	92.0
	100	154	212	89.2
	299	142	570	82.0
Uranium	20	24.2	68	14.0
	100	26.0	212	15. 0
	770	40.6	1418	23.4
Vanadium	20	34.6	68	20.0
Zinc	20	112	68	64.9
	100	111	212	63.9
Zirconium	0	19.0	32	11.0

Article Created: November 5, 2013

Метки статьи

Физическое объяснение теплопроводности металлов

Известно, что металлы являются высокоэффективными теплопроводниками.

В этой статье будут рассмотрены механизмы теплопередачи, что делает металлы идеальными проводниками тепла, а также использование обычных металлов и сплавов.

Значение теплопроводности в повседневной жизни

Изображение 1. A

Изображение 1. B

Изображение 1. A и B показывают визуальные иллюстрации людей на кухне, использующих кухонные принадлежности.

Кулинария является частью повседневной жизни большинства людей. Следовательно, кухонные приборы разработаны с целью обеспечения максимальной безопасности и эффективности. Это требует понимания теплофизики. Есть причина, по которой нагревательный элемент тостера, как правило, сделан из нихромовой проволоки, ложки для смешивания, как правило, деревянные, а материал, из которого изготавливаются прихватки для духовки, будет 9.1225 и никогда не содержат соединения металлов.

Определение температуры и теплопроводности

Необходимо вспомнить определение температуры , чтобы понять теплопроводность математически.

Рабочее определение T:

Рабочее определение температуры – это значение, измеренное термометром, который просто измеряет расширение объема ртути.

Изображение 2. Иллюстрация двух термометров в градусах Цельсия и Фаренгейта

Физическое определение T:

В теплофизике температура и теплопроводность понимаются через изучение движения молекул.

Шредер, автор « Введение в теплофизику », математически описывает температуру как:

\[ \frac{1}{T} = \Bigg( \frac{dS}{dU} \Bigg) \scriptscriptstyle N ,V \]

где:
S=энтропия,
U=энергия,
N=количество частиц,
V=объем системы (Schroeder, 2007).

Следовательно, температура системы зависит от энтропии и энергии , когда количество частиц и объем системы остаются постоянными.

Шредер формулирует словами: «Температура есть мера тенденции объекта самопроизвольно отдавать энергию своему окружению. Когда два объекта находятся в тепловом контакте, тот, который склонен спонтанно терять энергию, имеет более высокую температуру» (Schroeder, 2007). Это потому, что два соприкасающихся объекта попытаются достичь тепловое равновесие ; становятся одной температуры.

Для визуализации температуры и теплопроводности на микроскопическом уровне Рис. 1 A и B показаны ниже. Представьте, что неизвестные объекты А и В находятся в физическом контакте друг с другом. Объект A имеет более высокую температуру, чем объект B. Что произойдет с температурой с течением времени?

Рисунок 1. A

Рисунок 1.B

На рисунке 1.A показаны два неизвестных объекта, находящихся в физическом контакте друг с другом, а на рисунке 1.B показаны молекулы объектов.

At _0, T _A > T _B

At _1, T _A > T _B

3

3.

.

в T _N, T _A = T _B

AT _0, ŝ _A > ŝ _B

AT > ŝ _B

AT _{3 1 1, B}

AT _{3 1 1, B}

AT _{3 1 1, B}

.

.

.

At t _n, Ø _A > Ø _B

Учитывая, что t _n : момент времени, T _A : температура объекта A, T _B : температура объекта B, s _A : средняя скорость частицы A, s _B : средняя скорость частицы В.

В t ₀ атомы объекта A движутся с большей скоростью, а атомы объекта B движутся с меньшей скоростью (T _A > T _B ). Со временем объект А отдает энергию, а объект В получает энергию до тех пор, пока они не станут одинаковой температуры (T _A = T _B ) и достичь теплового равновесия. Это теплопроводность описанная на молекулярном уровне. Ближайшие атомы объекта A сталкиваются с атомами объекта B. Атомы объекта B, которые первоначально взаимодействовали с атомами объекта A, сталкиваются с другими атомами объекта B, пока энергия не будет передана через все атомы объекта B.

Шредер определяет теплопроводность как «перенос тепла посредством молекулярного контакта: быстро движущиеся молекулы сталкиваются с медленно движущимися молекулами, отдавая при этом часть своей энергии» (Schroeder, 2007).

Способы передачи тепла для металлов

Важно напомнить три способа передачи тепла; конвекция для газов/жидкостей, излучение для объектов, разделенных пустым пространством и проводимость для объектов, находящихся в непосредственном контакте.

Теплопроводность также подразделяется на три категории: столкновения молекул для газовых/жидких форм, колебания решетки для твердых тел и электронов проводимости для металлов, как показано на рисунке 2 ниже.

Рис. 2. Режимы теплообмена.

Теплопроводность металлов включает столкновения молекул + электронов проводимости для металлов в газообразном состоянии и колебания решетки + электроны проводимости для металлов в твердом состоянии. Электроны проводимости — это то, что делает металл невероятным проводником . Прежде чем объяснить, что такое электрон проводимости, необходимо вспомнить определение металла.

Определение металлов

Все элементы можно найти в периодической таблице, включая металлы, неметаллы и металлоиды. Металлы определяются как «элементы, которые образуют положительные ионы, теряя электроны во время химических реакций» (Blaber, 2015).

Рисунок 3. Периодическая таблица, показывающая все элементы, разделенные на металлы, неметаллы и металлоиды.

Таблица 1. Список типичных физических свойств металлов.

Что делает металлы хорошими теплопроводниками?

Что делает металл хорошим проводником тепла, так это свободно движущиеся электроны проводимости .

Рис. 4. Нагретый металлический блок, демонстрирующий атомы и свободно текущие электроны.

Атомы металлов теряют валентные электроны при химической реакции с атомами неметаллов, т.е. образуя оксиды и соли. Таким образом, ионы металлов являются катионами в водном растворе. Что делает металлы и металлические сплавы хорошими проводниками, так это особое металлическое соединение. В металлических твердых телах связанные атомы разделяют свои валентные электроны, образуя море свободно движущихся электронов проводимости, которые несут как тепло, так и электрический заряд. Таким образом, в отличие от, например, электроны в ковалентных связях, валентные электроны в металле могут свободно течь через металлические решетки, эффективно перенося тепло, не привязываясь к отдельному атомному ядру.

Математическое моделирование теплопроводности Значение (k)

Теплопроводность (k) измеряет способность объекта проводить тепло (Q).

Высокое значение k: высокая теплопроводность

Рис. 4. Лист материала с уравнением теплопроводности.

Дано:

k = теплопроводность (Вт/м•K),

ΔQ = передача энергии (Джоули/сек),

Δt = изменение во времени (секунды),

ΔT = температурный градиент (K),

A = площадь теплопроводности (м ² ),

Δx = толщина материала.

Таблица 2. Список типичных физических свойств металлов.

Примечание. Медь и алюминий имеют самое высокое значение теплопроводности (k). Проверьте нашу базу данных материалов.

Использование обычных металлов и сплавов в таблице выше

Металлы и сплавы (материалы, изготовленные из комбинации металлов) используются в качестве строительных материалов в различных отраслях промышленности, таких как электроника, машиностроение, лабораторное оборудование, медицинские приборы, товары для дома и строительство.

Самые высокие значения теплопроводности для металлов имеют Серебро (-429 Вт/м•К), Медь (-398 Вт/м•К) и Золото (-315 Вт/м•К).

Металлы очень важны для изготовления электроники, поскольку они являются хорошими проводниками электричества. Медь, алюминий, олово, свинец, магний и пластик часто используются для изготовления деталей телефонов, ноутбуков, компьютеров и автомобильной электроники. Медь экономична и используется для электропроводки. Свинец используется для оболочки кабелей и изготовления аккумуляторов. Олово используется для изготовления припоев. Магниевые сплавы используются в производстве новой техники, так как они легкие. Пластик используется для изготовления деталей электроники, которые не должны проводить электричество, а титан используется для производства пластика.

Металлы также играют важную роль в машиностроении. Алюминий часто используется при изготовлении деталей автомобилей и самолетов, а также в виде сплава, так как его чистая форма слаба. Автомобильное литье изготовлено из цинка. Железо, сталь и никель являются распространенными металлами, используемыми в строительстве и инфраструктуре. Сталь представляет собой сплав железа и углерода (а часто и других элементов). Увеличение содержания углерода в стали создает углеродистую сталь, которая делает материал более прочным, но менее пластичным. Углеродистая сталь часто используется в строительных материалах. Латунь и бронза (медь в сплаве с цинком и оловом соответственно) обладают благоприятными свойствами поверхностного трения и используются для замков и петель, а также рам дверей и окон соответственно.

Наконец, нити накаливания для люминесцентных ламп традиционно изготавливаются из вольфрама. Однако от них постепенно отказываются, поскольку в таком источнике света только около 5% мощности преобразуется в свет, остальная часть мощности преобразуется в тепло. Современные источники света часто основаны на светодиодной технологии и полупроводниках.

В заключение, теплопроводность металлов очень важна для проектирования любой конструкции. Это неотъемлемая часть безопасности, эффективности и инноваций в промышленности. Электроны проводника являются механизмом высокой проводимости металлов по сравнению с неметаллическими материалами. Однако значение теплопроводности (k) также может сильно различаться среди металлов.

Ссылки

Schroeder, DV (2018). Введение в теплофизику. Индия: Образовательные услуги Pearson India.

База данных материалов – Термические свойства. (н.д.). Получено с https://thermtest.com/materials-database

Алюминиевые сплавы 101. (9 марта 2020 г.). Получено с https://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101

Elert, G. (nd). Проводка. Получено с https://physics.info/conduction/

Blaber, M. (2019, 3 июня). 9.2: Металлы и неметаллы и их ионы. Получено с https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map:_General_Chemistry_(Petrucci_et_al.)/09:_The_Periodic_Table_and_Some_Atomic_Properties/9.2:_Metals_and_Nonmetals_and_their_Ions

Теплопроводность. (н.д.). Получено с http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html

Диоксид титана для пластмасс. (н.д.). Получено с https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center

Сандхана Л. и Джозеф А. (2020, 6 марта). Что такое углеродистая сталь? Получено с https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html

(nd). Получено с http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html

Images

Image 1.A: Mohamed, M. (2019). Кулинария Леди [Иллюстрация].